精确高效塑性成形工艺技术

时间:2015-09-18 16:48 来源:自动控制网

1 超塑性成形工艺
     (1)超塑性成形工艺的定义与特点
     超塑性是指材料在一定的内部组织条件(如晶粒形状及尺寸、相变等)和外部环境条件(如温度、应变速率等)下，呈现出异常低的流变抗力、异常高的伸长率现象。将伸长率超过100％的材料称之为超塑性材料。
     金属的超塑性主要有两种类型：1)细晶超塑性，又称组织超塑性或恒温超塑性，其超塑性产生的内在条件是具有均匀、稳定的等轴细晶组织；外在条件是每种超塑性材料应在特定的温度及速率下变形，要比普通金属应变速率至少低一个数量级；2)相变超塑性，又称环境超塑性，是指在材料相变点上下进行温度变化循环的同时对试样加载，经多次循环试样得到积累的大变形。目前研究和应用较多的是细晶超塑性。
     超塑性成形工艺包括超塑性等温模锻、挤压、气压成形、真空成形、模压成形等。对于薄板的超塑性成形加工，气压成形应用最多。在这种超塑性成形工艺下，零件的内表面尺寸精度高，形状准确，模具容易加工。
     (2) 超塑性成形工艺的特点
     1）一次成形各种复杂零件
     2）成形零件性能稳定
     3）变形抗力小
     4）流动应力对应边速率的变化敏感
     5）制件质量高
     (3)超塑性成形工艺及应用
     由于金属在超塑性状态下具有极好的成形性和极小的流动应力，所以超塑性成形工艺己越来越多地用于工业生产。如飞机上的形状夏杂的钦合金部件，原来需用几十个零件组成，改用超塑性成形后，可一次整体成形，以代替原来的组合件，大大减轻了构件重量，节约了工时。对零件形状和尺寸精度要求较高零件。超塑性还用于制作工艺品。
     2 精密模锻工艺技术
     精密模锻是在模锻设备上锻造出锻件形状复杂、精度高的模锻工艺。目前，较为流行一种冷温模锻成形技术。所谓冷温模锻，是指金属材料在室温或再结晶温度以下的塑性成形工艺，又称冷挤压成形。它是一种净成形或近净成形的加工技术。冷挤压成形时所需作用力较大。在选择冷挤压设备时，除应考虑挤压金属所产生的热效应之外，还要考虑压力机应有足够的刚度和导向精度，以及可靠的防超载装置。
     3 精密冲裁工艺技术
     (1)精密冲裁工艺介绍
     精密冲裁简称精冲是一种先进制造技术，在一定条件下可取代切削加工，具有优质、高效、低耗、面广的特点，适合于组织自动化生产。
     优质精冲件的尺寸公差可达IT7—IT8级；剪切面粗糙度可达Ra1.6-0.4μm，相当于磨削加工。
     高效和切削加工相比精冲一般可提高工效10倍左右，精冲片齿轮可提高工效20倍左右、风轮可提岗工效40多倍。
     低耗节约大量切削机床和切削加工所需电能，精冲后表面加工硬化有时可以取消后续淬火节约大量电能。
     面广许多铸、锻毛坯切削加工件以及切削加工后用铆、焊联接在一起的组合件，均有可能用精冲工艺或精冲复合工艺生产．
     己广泛用于汽车、摩托车、起重机械、纺织机械、农用机械、计算机、电器开关、家用电器、仪器仪表、航空器等制造部门，辆轿车就有80多种100多个精冲件。
     (2)精冲工艺过程
     精密冲裁和普通冲裁从形式上看都是分离工序，但就其工艺过程的特征及制定工艺时的出发点相指导思想来说都是截然不同的。普通冲裁系通过合理间隙的选取，使材料在凸、凹模刃口处的裂纹重合，称之为“控制撕裂”。精冲过程中工件和条料最后分离两始终保持为—个整体，材料自始至终是塑性变形过程。精冲技术中无论是工艺的力能参数、模具的几何参数，材料的性能和球化处理以反工艺润滑剂等等。
     为防止材料在精冲完成前产生撕裂，保证塑性变形的进行，应采取以下措施：
     1)冲战前V形环压边圈压住材料．防止剪切变形区以外的材料在剪切过程中随凸模流动；
     2)压边圈和反压板的夹待作用，再结合凸、凹模的小间隙位材料在冲裁过程守始终保持和冲裁方向垂直，避免弯曲翘起而在、变形区产生拉应力，从而构成塑性剪切的条件；
     3)必要时将凹模或凸模刃口倒以圆角，以便减少刃口处的应力集中，避免或者延缓裂纹的产生，改善变形区的应力状态；
     4)利用压边力和反压力提高变形区材料的球形压应力张量即静水压，提高材料的塑性；
     5)材料预先进行球化处理，或采用专门适于精冲的特种材料；
     6)采用适于不同材料的工艺润滑剂。
     (3)精冲必须具备的基本条件
     为了更好的完成精冲工艺，必须具备如下基本条件：
     1）精确的模具
     精冲模的冲裁间隙小，有V形环压边圈和反压板刚性和导向性好。
     2）符合要求的材料
     大约95％的精冲件都是钢件。精冲的大约最大厚度是一个范围，它和材料的组织、工件的技术要求有关，钢材以球化完全，弥散良好，分布均匀的细球状碳化物组织为最佳。除铅黄铜外，多数非铁金属和合金均可以精冲。
     3）高性能的润滑剂
     精冲过程中金属材料在三向受压的条件下进行塑性剪切，模具刀口承受瞬时高温高压。在这种条件下新生的剪切面和模具工作表面之间会发生强烈的干摩擦、容易引起“焊合”和附着磨损，必须采用润滑别，形成一种耐压耐温的坚韧润滑薄膜附着在金属表面上，将新生的剪切面和模具工作表面隔开，借以改善材料与模具间的润滑条件减少摩擦，散发热量从而达到提高模具寿命改善剪切面质量的目的。
     4）高精度的设备
     精冲压力机是为完成桔冲工艺的专用压力机，它能同时提供冲裁力、压边力和反压力，滑块有很高的导向精度利刚度，滑块行程速度的变化满足快速闭合、慢速冲裁和快速回程的要求，冲裁速度可以调节，有可靠的模具保护装置及其他自动检测和安全装置，实现单机自动生产。
     4 粉末冶金锻造工艺
     (1) 粉末冶金工艺
     粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过制坯和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工艺技术。
     粉末冶金工艺的工序过程为：1)制取和准备原料粉末，粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物；2)将金属粉末制成所需形状的坯块；3)将坯块适当的温度下进行烧结，抑获得较好的物理、化学和力学性能。
     烧结是粉术冶金工艺中的关键工序。烧结之后根据产品的要求，采用精整、浸油、机加工、热处理(淬火、回火和化学热处理)和电镀等处理方式。也可以采用一些新的工艺，如轧制、锻造、挤压可应用于粉末冶金材料烧结后的处理。
     现代粉木冶金技术的发展中有三个重要标志：实现了难熔金属(如钨、相等)熔铸制造，充分发挥了粉末冶金少、无切屑的优点；利用粉末冶金制成了多孔轴承；促进了新材料、新工艺发展。出现了金属陶瓷、粉末高速钢、粉末超合金，粉末冶金锻造能制出高强度零件。
     (2)粉末冶金锻造工艺
     金属粉末经制坯压实后烧结、再用烧结体作为锻造毛坯进行锻造的锻造方法称粉末冶金锻造。粉末冶金锻造是粉末冶金和精密锻造相结合的新技术。
     粉末冶金锻造具有致密压实和塑性成形的作用。烧结体的致密效果与锻造变形程度有关，变形程度越大，致密效果越好。粉末冶金锻造，要采用适当形状的预制坯，以便一次锻造成形。通过调整顿制坯密度和形状，选用最佳变形规范，可形成有利的流线，获得优质的锻件。
     1）粉末冶金锻造工艺简介
     粉末冶金锻造工艺分为粉末准备、制坯烧结、预制坯锻造和后续加工（热处理和机械加工）四个阶段。
     2）对粉末原材料的要求
     粉末冶金锻件性能在很大程度上取决于粉末原材料。优质粉末成本较高，所以必须根据粉末冶金锻件的用途合理选用粉末原材料。粉末原材料应满足粉末合金成分均匀；粉末的密度要高，流动性、压制性和烧结性要好；应控制含氧量和其它气体含量；控制粉末中的杂质含量。
     3）粉料准备
     粉料准备是对粉末原材料进行还原、磁选、筛选和混料等工序。
     4）预制坯
     ①预制坯的设计根据锻造时侧向流动量的大小，预制坯几何形状基本可以分为两类：一类是预制坯在锻压方向的投影与锻件基本一致，锻造时只是高度方向压缩，侧向流动很小。这类锻造有时也称“热复压”。如直齿正齿轮的锻造。另一类是有较大的侧向流动，预制坯形状可以与锻件有很大差别，因而预制坯形状比较简单。如行星伞齿轮锻造。
     ②预制还的压制预制坯一般采用单向或双向冷压制。冷压时，应保持模壁与粉料润滑良好，以在较低压力下获得较高的压制密度和避免产生裂纹。
     ③预制坯的烧结烧结后可增大预制坯的强度和可锻性，使合金成分均匀化，还可降低氧含量。预制坯烧结均有所收缩，仍含有大量孔隙，应尽快转入锻造，以防孔隙表面自然氧化。
     5)锻造
     ①锻造设备和锻模粉末冶金锻造可采用各种类型的锻压机。为了使锻件表面具有要求的粗糙度，预制坯表面必须清洁且无氧化，锻造时要采用适当的润滑剂。
     ②锻前加热加热前，预制坯要涂敷玻璃润滑剂。锻前加热一般都在保护气氛中进行。采用高频加热可以使预制坯加热时间大幅度减少，从而减少氧化。预制坯表面要喷除石墨保护剂。
     ③模锻模锻主要取决于锻造温度、锻造压力和保温时间。锻造温度高，有利于改善烧结体的塑性，降低变形抗力；锻造温度过高烧结体含碳量难控制，模具也容易产生热疲劳。锻造温度过低，烧结体的塑性不足，变形抗力大，致密效果差，模具寿命降低。确定锻造温度和锻压力的一般原则是保证预制坯顺利变形到要求的尺寸而不产生裂纹，使锻件的密度达到要求的数值。一般说来，可参照普通模锻工艺参数来选择粉末冶金锻造工艺参数。
     粉木冶金锻件锻后应以防表面及内部氧化，采取有力的保护措施。
粉木冶金锻造是一次锻成最终形状和尺寸，对形状特别复杂或尺寸精度要求高的锻件，还需采用复锻和精整。
     6)后续处理和加工
     粉末冶金锻件内部孔隙的锻合面的结合状态对锻件性能的影响很大。这是因为锻压的保压时间短，原有的孔隙表面虽被锻合，但其中一部分未能充分扩散结合，构成脆弱内界面。
     粉末冶金锻件可进行退火、调质、表面渗碳淬火等热处理或时效处理，提高锻件塑性和韧性。
     为保证装配精度，粉末冶金锻件有时需经少量的机加工，如航空传动齿轮火后必须磨齿，才能达到所需尺寸精度和性能。